遮荫对冬小麦生长及形态建模的影响

石鹏兵，张建丰，2，李 涛,2，申亚宾

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西西安710048；2.西安理工大学陕西省水资源与环境重点实验室，陕西西安710048)

光的获取是作物生长的必需品，对作物的生长发育和形态等方面有着重要的作用，作物在光照变化的情况下通过形态特征等方面的变化来适应在这种情况下的生存。冯妍[1]发现随着太阳辐射减弱，冬小麦的生育期延长，植株衰老延迟，株高和叶面积增加，穗长减小，麦博儒[2]发现60%～20%光下冬小麦叶面积和株高均增加，陆昱等[3]发现太阳辐射降低造成冬小麦生育期延长。王一等[4]发现出苗至盛花期遮荫对大豆叶面积影响最大，杨东等[5]发现不同生育阶段的55%遮荫处理14d，其中以移栽期遮荫处理造成了水稻株高的明显增加，成熟期后各处理下的株高差异不显著。潘福霞等[6]发现遮荫处理下紫云英的出苗数和株高均高于无遮荫组。刘国顺等[7]发现随光照强度的减弱,植株茎杆变细,叶片的长宽比增加,叶片数减少,干物质重逐渐减少和籽粒品质下降，并以72.2%的全光照条件下的株高、叶面积最大。可以得出遮荫对不同作物不同指标表现出不同的影响程度，光照条件改变的情况下作物通过改变自身的性状来调节对新环境的适应，以达到最适宜的生长。时向东、李东科和曹勇等[8-10]均发现控光对作物冠层产生不同程度的影响，控光度越小对作物的影响越小。

综上所述，遮荫对于作物产生了不同程度的影响，受遮荫强度的影响不同作物亦表现出积极或消极的响应。目前，遮荫材料和光强控制时间与冬小麦生长性状之间的关系鲜有报道，因此，本文用遮荫网设置四种遮光梯度长期遮荫条件下探究对冬小麦生长性状的影响，并进行函数拟合用以在不同光照强度下各性状值的预测。

1 材料和方法

1.1 试验设计

田间试验于2015—2016 年在西安市未央区试验站进行。降水年际变化较大，多年平均降水量550 mm。本次试验所采用的冬小麦品种为西农979，小麦种植方式为条播，行距为15 cm，播种量为162 kg/hm2。播前基肥施用磷酸二铵750 kg/hm2，尿素750 kg/hm2。为防止害虫对种子的危害，在播种前用农药进行拌制。

试验为单因素试验，控制因素为光强，为1因素，5水平试验。试验以光照强度为基础，通过搭建薄、厚不同的遮荫网，分别获得光照强度的81.3%、57.9%、43.6%和27.8%共4种遮荫处理，分别标记为L81.3、L57.9、L43.6和L27.8，无遮荫处理作常规对照记为CK。各试验处理总计3次重复并随机分布。遮荫处理自冬小麦拔节期开始至完全成熟期结束。大田试验期间，根据冬小麦在不同生育阶段的生长情况，适时调整遮荫网的高度，使遮荫网与冬小麦冠层间始终保持着30cm的高度，以保证试验小区内的通风，同时也便于取样与数据测量。

1.2 测量指标

生育期观测：观测区域内的冬小麦植株上或茎上表现出某一发育期的特征时，意味着该植株进入了某一发育期。当样本数量第一次大于或等于总体数量的10%称为发育始期，大于或等于总体数量的50%称为发育普遍期，大于或等于总体数量的80%称为发育末期。穗长、株高和叶面积采用卷尺直接进行测量。从小区中选取5株长势均匀的小麦进行定株测量，测量时株高从土壤表面量至所测植株叶子伸直后的最高叶尖；自拔节期之后，则须量至最顶部叶片的叶枕，抽穗后则量至除去芒的穗的顶部，测量叶片长和宽，根据长宽的乘积再乘以矫正系数即可得到叶面积。测量时间每7天进行一次。

1.3 统计

采用Excel 2007和Origin 2016软件进行数据处理和绘图，采用Origin 2016和SPSS统计分析软件进行方差和相关性分析。

2 结果

2.1 不同光照条件下冬小麦生育期比较

实际观测本次试验中冬小麦生育期的起止日期见表1。在3月23日对各小区遮荫处理后，遮荫处理对冬小麦生育期的起止时间造成了一定的推迟现象，并且对越靠后的生育期日期上的推迟现象更为明显。随着光照强度的减小，生育期起始日期逐步推迟，且随着冬小麦的生长逐渐呈现出递增的趋势。在成熟期，L81.3、L57.9、L43.6和L27.8处理的起始日期相比于CK处理分别延迟了3、7、13、18天。

2.2 不同光照条件对冬小麦株高的影响

冬小麦的株高在不同光照条件下增长过程有所不同，采用生长函数(Logistic)模拟冬小麦的株高随生长天数的变化。拟合以3月14日测量结果为起点，拟合过程见图1，拟合参数值见表2。

表1 遮荫后冬小麦各主要生育阶段起止日期

图1 各遮荫处理下株高比较和拟合图Fig.1 Plant height comparison and fitting map under shading treatments

从图1可以看出，遮荫后不同处理间株高差异逐渐显示出，不同处理间株高的差异在拔节期至抽穗期期间较为明显，可以看出CK处理高于其他遮荫处理(L81.3、L57.9、L43.6、L27.8)，且随着光照强度的减小，株高逐渐减小；而在抽穗期结束后，各处理下的株高差异性逐渐减小。自41天后，各处理下的株高变化趋于平缓。

从表2可以看出，各处理下的曲线拟合相关性系数均达到0.96以上，有着较好的拟合。各处理下A1、A2、x0和p四项参数有所不同但在一定的范围内，利用本次试验结果和Logistic曲线预测不同遮荫条件下冬小麦株高值有着较好的实用性。

表2 各处理下拟合参数值

对参数p随光照强度的变化进行拟合分析见图2，拟合函数为式(1)。可以看出随着光照强度的增加参数p逐渐增加，采用线性拟合得出相关性系数达到0.86以上，考虑本试验为大田试验，有许多不可控因素，因此可以对参数p运用拟合函数进行估值。

y= 0.0176x+ 2.1598,R2= 0.863

(1)

图3 各处理下最终株高差异比较Fig.3 Comparison of final plant height differences under different treatments注：小写字母表示处理间差异达5%显著水平，下同。

对4月24日后冬小麦株高的多次测量结果进行方差分析见图3。L57.9处理显著高于其他遮荫处理(CK、L81.3、L43.6、L27.8)，并且L43.6和L27.8处理显著高于CK处理。随着光照强度的减小，株高最终没有形成较为明显的规律性，但不同遮荫条件对最终株高具有促进作用。分析其原因是本次大田试验所选取冬小麦品种为“西农979”，该品种本身株型紧凑，株高属于中等水平。

图2 参数p随光照强度拟合图Fig.2 Fitting chart of parameter p with illumination intensity

2.3 不同光照条件对冬小麦叶面积的影响

不同遮荫处理对冬小麦叶面积的影响有所不同，叶面积随生长天数的变化基本上呈现出先增加后减小的趋势，采用Gauss函数模拟冬小麦的叶面积随生长天数的变化，拟合以3月14日测量结果为起点，拟合过程见图4，拟合参数值见表3。

从图4可以看出。对试验处理进行遮荫处理后，各处理间的叶面积差异逐渐表现出来，并且CK处理下的叶面积整体低于其它各遮荫处理，随着光照强度减小，叶面积增加，叶面积增加阶段的差异性逐渐增大，减少阶段的差异性逐渐减小。叶面积在某个时段内达到最大，各处理间峰值有所推迟并呈现出一定的差异，CK处理于4月9日前后达到峰值，峰值为130.9cm2；而其它各遮荫处理于4月14日前后达到峰值，L81.3、L57.9、L43.6、L27.8处理的峰值分别为：139.7 cm2、143.7 cm2、144.7 cm2、154.2 cm2，各遮荫处理下叶面积的峰值相较于CK处理下分别增长了6.7%、9.8%、10.5%、17.8%，这可能是由于遮荫对冬小麦生育期推后影响的结果。

图4 不同光照条件下叶面积变化趋势和拟合图Fig.4 Changes of leaf area and fitting chart under different light conditions

叶面积到达峰值以后，随着冬小麦逐渐趋于成熟，接近地表附近叶片开始变黄、干枯和脱落，致使绿色叶面积逐步开始减少。叶面积减少阶段与增长阶段表现出了基本相同的趋势。由此可见，遮荫处理在一定程度上促进了冬小麦叶面积的增长，同时延缓了冬小麦叶面积的干枯与衰老，叶面积整体趋势上表现为：L27.8>L43.6>L57.9>L81.3>CK。

从表3可以看出，各处理下的曲线拟合相关性系数均达到0.95以上，有着较好的拟合。各处理下y0、xc、w和A四项参数有所不同但在一定的范围内，利用本次试验结果和Gauss曲线预测不同遮荫条件下冬小麦叶面积值有着较好的实用性。

表3 各处理下拟合参数值

对各遮荫处理下叶面积的峰值相对于CK处理下的增加值随光照强度消减值变化做指数函数拟合见图5，拟合函数为公式(2)。

y=6.1702e0.017x,R2= 0.926

(2)

图5 峰值相对增加值随光强消减值拟合图Fig.5 Fitting chart of peak relative value added with light Intensity decrease

可以看出随着光强消减值的增加，峰值相对增加值也增加。拟合函数相关性系数达到0.92以上，运用此函数可以对峰值相对增加值进行预测。

2.4 不同光照条件对冬小麦穗长的影响

对各处理间的穗长进行方差分析见图6。CK处理冬小麦穗长显著高于其它各处理，L81.3处理显著高于L43.6和L27.8处理。L81.3和L57.9处理与L57.9、L43.6和L27.8处理之间差异不显著。结果表明，穗长随着光照强度的减小而减小，遮荫措施在一定程度上抑制了冬小麦穗长的生长，但由于抑制作用有限，光照强度降低到一定程度没有显著造成冬小麦穗长的减小。

图6 各处理下冬小麦穗长差异比较Fig.6 Comparison of spike lengths of winter wheat under different treatments

以光强消减值为X轴，冬小麦穗长为Y轴，采用线性函数进行拟合，见图7。线性拟合相关性系数达到0.91，有较好的拟合，可以采用此方程预测不同遮荫条件下冬小麦穗长。

图7 穗长随光强消减值拟合图Fig.7 Fitting chart of spike lengths decreasing with light intensity

3 结 论

1) 不同遮荫条件对冬小麦的生长形态造成了不同程度的影响。随着光照强度的减小冬小麦的生育期延迟越长并对越后的生育期越严重，这种情况可能影响本地的复种指数。冬小麦穗长随着光照强度的减小而相应线性减小，不同遮荫处理对冬小麦最终株高没有产生显著影响。随着光照强度的减小冬小麦叶面积增大，由于冬小麦的叶面积影响着干物质的形成和耗水，所以叶面积增大和叶片延缓衰老，这都影响着冬小麦干物质的形成，也对通过遮荫进行节水的措施造成影响。L81.3处理对冬小麦生长形态的影响较小，为后期研究提供较好的遮光度范围。

2) 对冬小麦株高随生长天数的变化采用Logistic曲线拟合，叶面积随生长天数的变化采用Gauss曲线拟合，均达到较好的拟合效果。对株高拟合参数p和光强百分数采用一次线性函数拟合分析，叶面积峰值相对增加值和光强消减值采用指数函数拟合分析，穗长和光强消减值采用线性函数拟合分析，都具有一定的相关性。结合实际试验和拟合函数对冬小麦各性状值进行预测，以便为后期更深入的研究提供参考值。